第1章 绪论
1.1 课题背景与意义
随着经济的发展和人民生活水平的提高，能源需求越来越大；随着城镇化进程的推进，建筑总体能耗的水平越来越高，据初步统计表明建筑能耗占 1/3 左右，其中的采暖空调能耗将近占据了半壁江山。面对日益加剧的能源危机和环境危机，如何开发可再生能源，节约现有的化石能源，提高能源利用效率与保护环境成为了一个全球性的课题。在这种大背景下，热泵作为暖通行业的一种高效节能的装置逐渐被人们接受并大规模应用，而利用浅层地热资源的地埋管地源热泵作为研究和应用的热点，被美国等众多国家作为能源领域的重点支持项目。
自 1978 年能源危机以来，美国和欧洲等国对地埋管地源热泵系统[1]（也称为土壤源热泵空调系统、土壤耦合热泵空调系统，为了与规范保持一致，同时也是便于理解，以下全文统一采用地埋管地源热泵系统）开展了大规模的研究。20 世纪 80 年代末期，地埋管地源热泵系统在我国开始起步，90 年代成为我国热泵研究的热门课题，进入 21 世纪以来随着节能减排的推进，地埋管地源热泵系统的研究与工程应用更为广泛深入。
1.1.1 地埋管地源热泵相关简介
地埋管地源热泵系统以浅层岩土作为热泵的低位热源，而浅层岩土是一种良好的低位热源，一则取之方便，另外浅层岩土的恒温层在无干扰时常年保持稳定温度，这一温度高于冬季室外气温，低于夏季室外温度。这样利用地埋管地源热泵系统在冬季将地下热量提取出来供暖或供应生活热水，同时将冷量储存入地下以供夏季使用；在夏季将地下的冷量提取出来用于建筑空调制冷，同时将热量储存入地下以供冬季使用。由于具有以上特点，地埋管地源热泵系统不仅能解决采暖空调和生活热水供应，还具有节能环保、高效的优点。地埋管地源热泵系统一般由三个必须的环路组成（见图 1-1）：
地埋管地源热泵根据埋管的形式大体上可以分为水平埋管式和竖直埋管式两大类，见图 1-2。水平埋管式是在地面上挖 1～3 m 深的地沟，每沟中埋设 1、2、4或 6 根塑料管。竖直埋管式是在地面上钻 0.1~0.15m 的钻孔，在孔中设置单 U 形、双 U 形、套管形或螺旋管形埋管，并用回填材料填实，一般钻孔深度在 40~200m。较水平埋管来说，竖直埋管具有节约土地，不宜受年气候波动影响，效率较高等特点，但也具有初投资较高的缺点；在我国较为普遍使用的是竖直埋管形式，其中由于螺旋管施工不便，而双 U 管虽然较单 U 在换热效率高（高 10%～30%），但初投资高许多，所以在大部分情况下单 U 形管应用的更为广泛。鉴于单 U 管竖直埋管式的地源热泵系统应用和研究的普遍性，本论文研究都是以单 U 管为基础。
1.1.2 响应测试的意义
但在大量的工程应用中出现了一些典型的问题值得研究：如在地埋管地源热泵系统中由于岩土热物性参数无法准确的确定造成的埋管长度偏大，导致系统初投资过大；又如在冷热负荷不均导致岩土温度持续升或降低，导致后期运行效果不佳等。
设计需要的岩土热物性参数是一个受地下岩土、回填材料、地下水等众多因素共同影响的一个综合参数。目前，常用于确定岩土热物性参数的方法主要有土壤类型辨别法、稳态平板测试法、探针法及现场测试法等。
系统的设计人员在设计地埋管换热器时，由于设计者的知识水平、经验以及设计估测保守程度等不同会存在很大的差异。况且不同地层地质条件下的导热系数可相差近十倍，导致计算得到的埋管长度也相差数倍，从而使得地埋管地源热泵系统的造价与运行会产生相当大的偏差[4]。
第2章 冷热响应仪的设计
热响应仪是模拟夏季排热工况的提法，对于能同时进行制冷工况（排热）和制热工况（吸热）的测试仪，为了区别热响应仪，暂取名为冷热响应测试仪。冷热响应测试仪要求能同时完成两个工况的模拟测试，对于冷热响应测试仪系统也要求有不同之处。本章将重点介绍冷热响应测试仪系统的工作原理和设计思想；并在此基础上完成主要设备的选型工作。
2.1 冷热响应测试仪的系统
2.1.1 测试仪的系统原理图
冷热响应测试仪是通过模拟热泵机组的实际运行，监测埋管进出水温度以计算岩土导热系数的系统，主要由热泵机组、测试钻孔、地下换热埋管、循环水泵、各种控制阀门、散热器、电加热器和数据（温度和流量）采集系统等重要部分组成。系统结构原理图如图 2-1 所示（考虑到工程实际应用中的调节稳定性等问题，可采用改进性的测试仪，详见附录 1）。
第 3 章 热物性参数计算方法........................ 20
3.1 计算理论建立的基础 .............................. 20
3.2 参数的分析与确定 ........................ 25
3.3 热物性参数计算 ........................ 28
3.4 本章小结 ............................... 33
第 4 章 设计和测试条件的探讨.................... 34
4.1 统一设计方法的探讨 .................. 34
4.2 测试中存在的问题 .......................... 37
4.3 测试时间的确定 .......................... 38
4.4 埋管内的传热分析 .......................... 40
4.5 本章小结 ................................... 43
第 5 章 测试数据的处理与修正...................... 45
5.1 地下埋管换热器情况 ......................... 45
5.2 2#孔测试结果及参数的计算..................... 46
5.3 4#孔测试结果及参数的计算.......................... 50
5.4 计算参数的修正与比较分析 ................... 54
结论
为此课题提出了新的冷热响应测试仪，并对利用测试数据得到岩土热物性参数的计算原理和测试的应用条件进行了探讨，论文的主要工作和结论如下：
（1）在传统的电加热器和空气源热泵作为冷热源的基础上，提出了水/水热泵机组作为冷热源的新系统，解决了热响应测试不能同时进行冷热响应测试的困难，并且还解决了空气源热泵作为冷热源时易受测试气象条件变化影响而造成测试热流不能恒定的问题。在此基础上，设计了该岩土热物性测试仪测试系统，提出了系统的测试控制方案。
（2）结合目前成熟的线热源和圆柱面热源理论，计算推导得到了岩土热参数、钻孔热阻与测试得到的埋管进出水温度之间的关系式，并给出了斜率法和参数估计法求解方法。
（3）比较分析了目前地埋管热泵系统的设计方法：每延米换热量法和动态负荷设计法，认为前者仅适用于小面积的设计和方案设计阶段，后者是今后的方向。考虑到 TRNSYS 设计软件丰富的模块和方便的接口，认为其是目前符合动态负荷设计法设计思想的最佳的设计软件，有利于整个系统的优化设计。
（4）从理论和实际出发，结合现行规范，确定了岩土热物性测试中测试时间：岩土热响应测试试验应连续不间断，持续时间不宜少于 48h，最佳测试时间为 72h；且要满足在埋管出口温度高于岩土初始平均温度 5℃以上维持在不少于 12h 小时内，其温度波动小于 1℃，否则继续延长测试时间直至达到稳定要求。
参考文献：
1 中国建筑科学研究院. 地源热泵系统工程技术规范 GB 50366-2005（2009 年版）.北京:中国建筑工业出版社.2009
2 S. P. Kavanaugh. Simulation and Experimental Verification of Vertical Ground-coupled Heat Pump Systems (Doctoral Thesis) . Oklahoma(USA): Oklahoma StateUniversity. 1985
3 W. A. Austin. Development of An In-situ System for Measuring Ground ThermalProperties [Doctoral Thesis] . Oklahoma State University.1995
4 徐伟 . 中国地源热泵发展研究报告 (2008). 北京 : 中国建筑工业出版社 .2008,12:70~73
5 周亚素. 土壤热源热泵动态特性与能耗分析研究. 同济大学博士学位论文.2001
6 周复宗. 奥林匹克森林公园浅层土壤热物性测试及地温积累分析. 中国地质大学硕士学位论文. 2007:11~12, 70
7 王庆华. 浅层岩土体热物性质原位测试仪的研制及传热数值模拟. 吉林大学博士学位论文. 2009:11~15
8 杨波, 董华. 土壤源热泵系统国内外研究现状与发展前景. 建筑热能通风空调.2003,(3):52~55
9 A. M. Gustafsson. Thermal Response Test Numerical Simulations and Analyses [D].Lulea: Lulea University of Technology. 2006.
10 A. M. Gustafsson, J. Claesson, B. Nordell. Thermal Response Test While Drilling-Description of Numerical Model. Lulea University of Technology. 2005